【專題報導】網路影音世代來臨，H.264 技術應用無所不在

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【專題報導】網路影音世代來臨，H.264 技術應用無所不在
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文/工研院資通所-洪淑萍
隨著寬頻網路的普及，網路視訊正蔚為風潮，而強調高畫質的影音串流服務，更藉著寬頻網路正式走入數位家庭，成為客廳裡不可或缺的一個要角；在此同時，為兼顧高畫質視訊與相對有限的網路頻寬，視訊編解碼技術 (Video Codec) 扮演了相當重要的角色，在網路視訊的應用裡到處可見其蹤跡。

視訊編解碼技術，由早期的MPEG-1、MPEG-2 、MPEG-4一路進展到H.264，由於H.264 技術在視訊壓縮率以及視訊品質的上的表現優於其他技術，所以正逐步取代MPEG-4成為許多應用領域中的主流技術，包括 IPTV (Set-top Box)、次世代DVD/DVR、HDTV、數位監控、行動電視等，市場預估 2007 年MPEG-4/H.264 IC的產值可以達到出貨62,000 萬套，產值NTD 1,350億。
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圖一 全球MPEG-4/H.264 IC出貨與營收預測

資料來源：In-Stat；拓樸產業整理 (2007/04)
以下就各應用領域分別詳述H.264在其中之應用：

IPTV
網路電視 (IPTV) 利用寬頻網路，以「電視機＋機上盒 (Set-top Box)」為主要終端設備，為用戶提供包括電視節目在內的互動式多媒體服務的寬頻增值業務，IPTV能提供點播、廣播/ 直播、視訊通信、簡訊、資訊服務、遊戲等業務。
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圖二 IPTV應用架構圖

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資料來源：http://www.exfo.com
6 I/ T3 N, ~) o6 ]- {/ M: VSet-top Box硬體架構包含兩大部分，一為由網路端擷取經H.264 編碼壓縮過的視訊串流資訊，另一部份則是經由H.264解碼後輸出至電視，其中，H.264編解碼的實際作法可為 Hardware Codec 或者Software Codec (以軟體指令於效能強大的CPU/DSP上執行 )。Set-top Box預估2007年出貨套數可達 0.92 億台。
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圖三 Set-top Box全球出貨預測
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( O$ s# C( O$ W% n/ k0 E( p& @資料來源：IBTS整理 (2006)

IP視訊監控

5 @& X0 ?( u- k) W視訊監控產業由早期的類比閉路電視系統 (CCTV) 轉換為IP 視訊監視 (IP Camera)，其趨勢已是相當明顯，IP Camera的市場預估將有 87.9% 的年複合成長率，到2010年產值將達到55億美金。探究 IP Camera其中之技術，在影像編碼部分目前並存著Motion-JPEG以及MPEG -4兩 種標準，但從越來越多的新產品中可見H.264逐步取代MPEG-4 成為主流，主要是因為高階 IP Camera追求更高的frame rate以及高好的影像品質，使得 H.264技術逐漸嶄露頭角，目前在IP Camera中的H.264 encoder 一般均為Hardware IC 的形式，以便達到成本與效能最佳化。
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圖四 2006~2010年全球視訊監控市場預測
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資料來源：IMS Research；拓墣產業研究所整理 (2007/07)

數位相框 (Digital Frame)
; t; ]. {% U2 `8 F3 {數位相框是2007 年相當熱門的一個產品，主要的功能訴求原本定位在取代傳統式的相片，隨著規格的演進，市面上強調支援無線傳輸，可播放網路視訊的產品也已經出現，未來將朝向配備MPEG-4/H.264視訊解碼技術。 2007 年有機會挑戰全年一千萬台出貨量，市場成長相當快速，也是台系IC設計業者蜂擁搶進的新藍海。


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圖五 2006~2010年數位相框銷售量與成長率預測

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資料來源：DG Inspire；拓墣產業研究所整理 (2007/03)
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7 ~5 A! `* X& {1 X7 v# G" e工研院發表H.264 完整解決方案，軟硬體一把抓

! u* ]% g4 b0 ?8 s- O9 z  o工研院資通所累積網路視訊編解碼多年開發經驗，繼MPEG-4 Codec IP 開發完成並實際移轉多家廠商的成功經驗，再接再厲推出H.264 S/W and H/W Codec IP，以最佳化的閘數目 (gate count) 與效能比 (performance)，改變H.264 長期倚賴國外技術支援的壟斷局面，有助於國內廠商降低成本，提升技術自主性，並取得市場有利的競爭地位，以下為詳細技術規格：

H.264 Video Decoder IP Core
Features
& `6 g/ Z9 m4 @3 {9 l3 Y3 m
' L2 B6 h2 E: b6 U/ W- B3 B

●Decoder Elementary Stream compatible with the ISO / IEC 14496-10 specification
●Supports main Profile Levels L1 to L3 and thus baseline H.264
●Intra Prediction
●16x16, 16x8, 8x16, 8x8, 4x8, 8x4, 4x4-MV(Motion Vector), Unrestricted MV
●I-Slice / P-Slice prediction type
' e6 r1 H4 H* ]: X8 g- A  q●Scalable resolution up to XGA(Multiple of 16 in height and width)
1 w% U9 s6 Q7 e4 h●Frame Rate up to 352(288 @ 30 fps, 640(480 @ 30 fps, depends on working clock rate
●Support CCIR-656 YCbCr 4:2:0 and 4:2:2 raster video input/output
●Variable Length Decoding (CAVLC/CABAC)
●FPGA verification

Block Diagram
5 ?2 x. D, s( H9 O# L7 w
" f4 @) `( {: @
ICL H.264 Video Encoder IP Core
5 Z* ?% Z, C2 j; |; l+ ]Features
  U! U& c  w# ^! s
% w1 u+ R) D) V6 s0 U2 Z

●Compatible with the ITU-T H.264 baseline profile
●Fully 4’4 (9 modes) and 16’16 (4 modes) Intra predictions
0 c$ [/ I1 B. }) a●Hierarchy Inter mode prediction

1.
: u3 g- s% P. c1 U' V' T) N: h16 x16、16x8 、 8x16、 8x8 block modes
2.
$ t5 x- G. K0 Z) @1 \: A% C8x 8、8x4 、 4x8、 4x4 sub-block modes
9 H5 I: O! [* V5 n# |+ h1 S6 O7 Q

●
, r8 R9 G( a8 z1 Q/ hI-VOP / P-VOP prediction type
●Free format resolution from QCIF to D1 or above (176’144 to above 720x480)
●Frame Rate up to 30 fps (352’288 to 720’480, depends on working clock rate)
0 S& z8 r7 i9 i/ x  a●Support CCIR-656 YCbCr 4:2:0 and 4:2:2 raster video input/output
0 p# H4 k* }& \6 |$ f●Motion Estimation search range：-16 ~ +15 pixels down to quarter pixel
5 v, C1 a5 H1 |# s. w- e●CAVLC support
●In-loop deblocking filter (easy to be online configured on and off)
●AMBA 2.0 bus interface
●Optional constant bit rate output (control by host processor)
- X% M! ]) l3 w/ e& {●Driver for encoder configuration and application sample codes
●FPGA verified and Silicon proven support
●AHB bus at 133 MHZ for TSMC 0.18um Technology
  ]" w/ a2 ], h
: U: Y& |/ l2 m& O6 |

Block Diagram
' Q! p& L; ^) Q5 K

Deliverable Items
# A2 d& v2 Q; l2 K! J+ X! O% u
) Z1 @) E$ x/ E( w% g9 R% Z

●RTL source code (Verilog)
●Testbench (self checking)
●Simulation script
7 ?! _) ?. L9 ]6 g1 u2 \●Synthesis script
5 X% O3 `6 E# z1 ^) X# T●Documentation for training course

Competitiveness

●High compression efficiency compared with the standard reference software (JM)
●Low power consumption
8 H( i4 n" O) b! R0 E, e2 K8 k●Low gate count for small die size
●Easy to integrate with SOC platform with standard interfaces (AMBA, SDRAM or SRAM)

Applications
& P- E. F7 T! t7 u

●Surveillance video capturing
●IP video phone/conferencing
●Digital Camera / Digital Camcorder
●IP / Web Camera
●Personal Video Recorder
●Streaming Processors
0 g* j% J$ e$ I% H8 [

聯絡窗口：
) `  A6 c$ m$ {; ]/ g4 S; a洪淑萍
通訊視訊技術規劃與推廣部
# F8 T( z0 d2 \$ g8 ~Tel: 03-5914800
9 n* M! Q3 ]7 y/ T9 ~Fax: 03-5820240
Email: lisahung@itri.org.tw
; k( h) B1 L! [- J工研院資通所